DE102015001866A1

DE102015001866A1 - Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015001866A1
Application number: DE102015001866.3A
Authority: DE
Inventors: Leif-Patrik Barthel; Simon Hollnaicher; Alfred Kolbe; Peter Ziegler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter (12) für ein Brennstoffzellensystem (10) eines Fahrzeugs, welcher zum Befeuchten eines in einen Brennstoffzellenstapel (28) des Brennstoffzellensystems (10) einbringbaren Mediums ausgebildet ist. Der Befeuchter (12) umfasst ein Gehäuse (24), in welchem eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (16) angeordnet ist. Jeweilige Endbereiche der Hohlfasermembranen (16) sind in einer Vergussmasse (70, 80) fixiert. Der Befeuchter (12) umfasst ein Deckelelement (22) zum Verschließen des Gehäuses (24). Eine Dichteinrichtung (54) dient dem Abdichten eines Raums (42) für ein Befeuchtungsmedium gegenüber einem Raum (48) für das befeuchtete Medium. Die Dichteinrichtung (54) ist hierbei zumindest bereichsweise zwischen einer Wand (44) des Gehäuses (24) und dem Deckelelement (22) angeordnet. Die Dichteinrichtung (54) ist an dem Deckelelement (22) gehalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, welcher zum Befeuchten eines in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einbringbaren Mediums ausgebildet ist. Der Befeuchter umfasst ein Gehäuse, in welchem eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen angeordnet ist. Jeweilige Endbereiche der Hohlfasermembranen sind in einer Vergussmasse fixiert. Zum Verschließen des Gehäuses ist ein Deckelelement vorgesehen. Zum Abdichten eines Raums für ein Befeuchtungsmedium gegenüber einem Raum für das befeuchtete Medium ist eine Dichteinrichtung vorgesehen. Die Dichteinrichtung ist zumindest bereichsweise zwischen einer Wand des Gehäuses und dem Deckelelement angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter und ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Ein solcher Befeuchter wird auch als Hohlfasermembranbefeuchter bezeichnet. Als Vergussmasse kommt hierbei häufig ein Epoxidharz zum Einsatz. Da diese Vergussmasse beim Aushärten schrumpft, kann zwischen der Wand des Gehäuses und der Vergussmasse ein Spalt auftreten. Dieser Spalt wird meist mit einer in radialer Richtung zwischen der Vergussmasse und der Wand des Gehäuses angeordneten Dichtung abgedichtet.
So beschreibt die US 2014/0291874 A1 einen Membranbefeuchter, bei welchem in einem Gehäuse ein Bündel von Hohlfasermembranen angeordnet ist. In einem Endbereich sind die Hohlfasermembranen in einer Vergussmasse fixiert. Das Gehäuse umfasst einen Deckel, welcher in einem Verbindungsbereich mit einer Wand des Gehäuses verbunden ist, wobei sich der Verbindungsbereich in eine Längsrichtung der Wand des Gehäuses erstreckt. Eine Dichtung zum Abdichten der Vergussmasse gegenüber dem Gehäuse ist zwischen einer Stirnseite der Wand des Gehäuses und einem in radialer Richtung vorspringenden Bereich des Deckels angeordnet. Die Dichtung ist des Weiteren in einer Ausnehmung aufgenommen, welche in der Vergussmasse ausgebildet ist. Von einem Grundkörper der Dichtung, welcher auf der Stirnseite der Wand des Gehäuses aufliegt, erstrecken sich zwei Fortsätze in axialer Richtung entlang der Wand des Gehäuses. Zwischen diesen beiden Fortsätzen ist ein stirnseitiger Endbereich der Wand des Gehäuses aufgenommen. Die Dichtung umgreift somit den Endbereich der Wand des Gehäuses und ist auf diese Weise an der Wand des Gehäuses fixiert.
Eine solche Dichtung ist vergleichsweise komplex und aufwändig, und sie erschwert auch die Montage des Membranbefeuchters.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Befeuchter der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zu schaffen, welcher beziehungsweise welches eine vereinfachte Montage zulässt.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Befeuchter kann insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen und dient dem Befeuchten eines Mediums, welches in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht werden kann. Der Befeuchter umfasst ein Gehäuse, in welchem eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen angeordnet ist. Jeweilige Endbereiche der Hohlfasermembranen sind in einer Vergussmasse fixiert. Das Gehäuse ist mittels eines Deckelelements verschließbar. Zumindest ein Teil einer Dichteinrichtung zum Abdichten eines Raums für ein Befeuchtungsmedium gegenüber einem Raum für das befeuchtete Medium ist zwischen einer Wand des Gehäuses und dem Deckelelement angeordnet. Hierbei ist die Dichteinrichtung an dem Deckelelement gehalten. So kann auf ein umständliches Festlegen der Dichteinrichtung an der Wand des Gehäuses verzichtet werden. Zudem lässt sich eine besonders einfach ausgebildete Dichteinrichtung zum Abdichten des Raums für das befeuchtete Medium gegenüber dem Raum für das Befeuchtungsmedium so besonders einfach bereitstellen.
Insbesondere kann so vorteilhaft auf eine Dichtung verzichtet werden, welche in radialer Richtung zwischen der Vergussmasse und der Wand des Gehäuses angeordnet ist. Eine solche radiale Dichtung ist nämlich besonders kritisch, da einerseits die Vergussmasse beim Aushärten schrumpft und dies nur schwer mit der radialen Dichtung kompensiert werden kann. Außerdem weisen das Material der Vergussmasse und ein für die Wand des Gehäuses verwendetes Material oft unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Daher kann es bei Temperaturschwankungen dazu kommen, dass die radiale Dichtung keine ausreichende fluidische Trennung zwischen dem Raum für das Befeuchtungsmedium und dem Raum für das befeuchtete Medium sicherstellen kann.
Durch die an dem Deckelelement gehaltene Dichteinrichtung können jedoch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse und eines Werkstoffs für die Wand des Gehäuses kompensiert werden. Eine die Hohlfasermembranen und die Vergussmasse umfassende Einheit kann des Weiteren besonders einfach in das Gehäuse eingebracht werden, ohne dass hierbei ein Spalt zwischen der Vergussmasse und der Wand des Gehäuses abgedichtet zu werden braucht. Der Befeuchter ermöglicht daher eine besonders einfache Montage.
Bevorzugt weist das Deckelelement einen Anlagebereich auf, in welchem das Deckelelement an einer Stirnseite der Wand des Gehäuses anliegt. Hierbei ist die Dichteinrichtung in dem Anlagebereich angeordnet. So können besonders gut Fertigungstoleranzen des Gehäuses in die Längsrichtung oder axiale Richtung ausgeglichen werden, welche mit einer Längserstreckungsrichtung der Hohlfasermembranen zusammenfällt.
Besonders einfach lässt sich eine Anordnung der Dichteinrichtung in dem Anlagebereich erreichen, wenn die Dichteinrichtung in einer Ausnehmung aufgenommen ist, welche in dem Deckelelement ausgebildet ist.
Die an dem Deckelelement gehaltene Dichteinrichtung kann dazu ausgebildet sein, mit einem ersten, beispielsweise als Dichtlippe ausgebildeten Dichtbereich an der Stirnseite der Wand des Gehäuses anzuliegen und mit einem zweiten derartigen Dichtbereich in axialer Richtung an der Vergussmasse anzuliegen. Eine solche gemeinsame oder einstückige Dichteinrichtung zum Abdichten des Deckelelements gegenüber der Wand einerseits und der Vergussmasse andererseits geht jedoch mit einer etwas größeren Komplexität bei der Ausgestaltung der Dichteinrichtung einher. Zudem ist eine solche Dichteinrichtung dann vergleichsweise schwer zu realisieren, wenn in dem Gehäuse zwei Bündel oder Pakete an Hohlfasermembranen angeordnet sind, deren jeweilige Endbereiche in der Vergussmasse fixiert sind. Ein Gehäuse mit zwei parallel angeordneten Bündeln an Hohlfasermembranen ist jedoch im Hinblick auf die Bauhöhe des Befeuchters und den Strömungswiderstand günstig, welchen das Befeuchtungsmedium beim Umströmen der Hohlfasermembranen überwinden muss.
Eine gemeinsame, einstückige Dichteinrichtung, welche sowohl das Abdichten zwischen dem Deckelelement und der Wand des Gehäuses als auch zwischen dem Deckelelement und der Vergussmasse sicherstellt, kann insbesondere durch Vergießen oder Verkleben eines die Dichteinrichtung bereitstellenden Materials gebildet werden. Auch auf diese Weise lässt sich nämlich sicherstellen, dass die Dichteinrichtung an dem Deckelelement gehalten ist. Des Weiteren können so Kräfte besser aufgenommen werden als bei einer Verklebung von Dichtmaterial, welches in radialer Richtung zwischen der Vergussmasse und der Wand des Gehäuses angeordnet ist.
Jedoch bringt es ein Anordnen einer mit dem Deckelelement verklebten oder durch Vergießen zwischen das Deckelelement und die Wand des Gehäuses eingebrachten Dichtmasse mit sich, dass ein in dem Gehäuse angeordnetes Bündel der Hohlfasermembranen nicht – etwa für den Fall von Verschleiß oder nachlassender Übertragung von Feuchte auf das zu befeuchtende Medium – ausgetauscht werden kann. Zudem ist es fertigungstechnisch günstig, wenn das Gehäuse und das Bündel der Hohlfasermembranen nicht als eine Einheit hergestellt und bezogen zu werden brauchen. Dann kann nämlich für die Herstellung des Bündels der Hohlfasermembranen einerseits und für das Gehäuse andererseits auf unterschiedliche Hersteller zurückgegriffen werden. Dies ist im Hinblick auf die Flexibilität bei der Montage, die Logistik und die Qualität vorteilhaft.
Es ist entsprechend bevorzugt, eine Dichteinrichtung mit zwei separaten Dichtelementen vorzusehen, welche jeweils an dem Deckelelement gehalten sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst daher die Dichteinrichtung ein erstes Dichtelement, welches zwischen einer Stirnseite der Wand des Gehäuses und dem Deckelelement angeordnet ist, und ein zweites Dichtelement, welches in radialer Richtung neben dem ersten Dichtelement und zwischen der Vergussmasse und dem Deckelelement angeordnet ist. So kann als erstes Dichtelement eine einfache Dichtung zum Einsatz kommen, welche für die Dichtigkeit zwischen dem Deckelelement und der Wand des Gehäuses sorgt. Als zweites Dichtelement kann ebenso eine besonders einfache Dichtung zum Einsatz kommen, welche jedoch für die Dichtigkeit zwischen der Vergussmasse und dem Deckel sorgt. Zudem kann so das zweite Dichtelement Fertigungstoleranzen der Vergussmasse in axialer Richtung des Befeuchters, also in Richtung einer Längserstreckung der Hohlfasermembranen, besonders gut ausgleichen.
Dies gilt insbesondere, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das zweite Dichtelement in axialer Richtung an einer Stirnseite eines Absatzes anliegt, welcher durch die Vergussmasse gebildet ist, wobei eine Außenseite des Absatzes einer Innenseite der Wand des Gehäuses zugewandt ist. Der Absatz oder Anlageabsatz weist bevorzugt in die axiale Richtung eine geringere Erstreckung auf, als ein durch die Vergussmasse gebildeter Grundkörper, in welchem die dem Deckelelement nahen Endbereiche der Hohlfasermembranen aufgenommen sind. Ein solcher Absatz, welcher also in die axiale Richtung des Befeuchters besonders kurz ausgebildet ist, führt dazu, dass auch Fertigungstoleranzen des Absatzes besonders gering ausfallen. So kann mittels des zweiten Dichtelements besonders einfach eine stets dicht sitzende Anlage des Dichtelements an dem Absatz der Vergussmasse sichergestellt werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zwischen der Außenseite des Absatzes und der Innenseite der Wand ein Spalt ausgebildet ist. So können nämlich Fertigungstoleranzen beim Herstellen eines von der Vergussmasse in dem Bereich des Absatzes gebildeten Grundkörpers kompensiert werden. Des Weiteren kann so insbesondere dafür gesorgt werden, dass sich ein Paket oder Bündel der Hohlfasermembranen mit der in den jeweiligen Endbereichen vorgesehenen Vergussmasse mühelos und prozesssicher in das Gehäuse einbringen lässt. Das Vorsehen des Spalts zwischen der Außenseite des Absatzes und der Innenseite der Wand erleichtert daher die Fertigung oder Montage des Befeuchters besonders weitgehend. Dennoch braucht dieser radiale Spalt nicht abgedichtet zu werden, da die beiden Dichtelemente, welche jeweils an dem Deckelelement gehalten sind, für eine ausreichende Abdichtung zwischen der Vergussmasse und der Wand des Gehäuses sorgen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Hohlfasermembranen ein Bündel bilden, welches einen Einströmbereich für das Befeuchtungsmedium umgibt. Hierbei ist durch das Deckelelement ein Einlassstutzen gebildet, welcher in den Einströmbereich mündet. Bevorzugt ist ein weiteres Dichtelement in radialer Richtung zwischen einer Außenseite des Einlassstutzens und der Vergussmasse angeordnet. Auch dieses radiale Dichtelement kann an dem Deckelelement gehalten sein. Des Weiteren kann mittels dieses weiteren Dichtelements sichergestellt werden, dass das Bündel der Hohlfasermembranen in dem von der Wand des Gehäuses umschlossenen Innenraum des Gehäuses derart ausgerichtet ist, dass in radialer Richtung annähernd gleiche Abstände zwischen einer Außenseite des Bündels und einer Innenseite der Wand des Gehäuses vorliegen. Die weitere Dichtung kann also insbesondere zum Ausrichten oder Zentrieren des Bündels bezogen auf die Wand des Gehäuses zum Einsatz kommen. Dies bringt Vorteile für die Dichtungsauslegung, da die Exzentrizität für die radiale Dichtung nicht berücksichtigt werden muss. Dadurch ist eine geringere Schnurstärke (Durchmesser der Dichtschnur bei O-Ringen) möglich, wodurch wiederum weniger Bauraum benötigt wird.
Das Bündel der Hohlfasermembranen kann insbesondere im Wesentlichen rund ausgebildet sein, sodass vom zentralen Einströmbereich zur Außenseite des Bündels jeweils gleich lange Strömungswege und entsprechend gleichartige Strömungswiderstände für das Befeuchtungsmedium vorliegen.
Auf einer dem Deckelelement gegenüberliegenden Seite des Gehäuses kann zwischen der Wand des Gehäuses und der Vergussmasse ein weiteres Dichtelement angeordnet sein. So kann auch in diesem Bereich des Gehäuses für eine einfache und zuverlässige Abdichtung der Räume für das Befeuchtungsmedium und das zu befeuchtende Medium gegenüber einander gesorgt werden.
Bevorzugt ist dieses weitere, an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnete Dichtelement in axialer Richtung mit Spiel in einem Aufnahmeraum angeordnet. Dann beeinflussen nämlich Längentoleranzen der Hohlfasermembranen oder der Vergussmasse, also Fertigungstoleranzen in axialer Richtung, nicht nachteilig die Dichtigkeit, welche durch dieses weitere Dichtelement sichergestellt wird.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Gehäuse ein Bodenteil umfasst, wobei zwischen einer an dem Bodenteil anliegenden Stirnseite der Wand des Gehäuses und dem Bodenteil ein weiteres Dichtelement angeordnet ist. Dieses weitere Dichtelement ermöglicht es insbesondere, Fertigungstoleranzen der Wand des Gehäuses und/oder der Vergussmasse in axialer Richtung durch die Auslegung des Dichtelements zu kompensieren.
Das weitere Dichtelement kann insbesondere in einer Ausnehmung aufgenommen sein, welche in dem Bodenteil ausgebildet ist. Dann lässt sich nämlich eine besonders einfach gestaltete Wand des Gehäuses bereitstellen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, umfasst einen erfindungsgemäßen Befeuchter. Hierbei ist bevorzugt das Abgas einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems in einen Einströmbereich des Befeuchters einbringbar. Das Abgas der Kathode wird also bevorzugt als das Befeuchtungsmedium eingesetzt. Das Abgas der Kathode ist hierbei bevorzugt zum Befeuchten eines der Kathode des Brennstoffzellenstapels zuführbaren Oxidationsmittels als dem zu befeuchtenden Medium nutzbar. Dann strömt nämlich das zu befeuchtende Oxidationsmittel, also beispielsweise Luft oder Sauerstoff, durch die Hohlfasermembranen. Dies ist günstiger als ein Beaufschlagen der Innenseite der Hohlfasermembranen mit dem Abgas der Kathode, welches Flüssigwasser enthält. Das Flüssigwasser könnte nämlich sonst die – üblicherweise recht feinen – Hohlfasermembranen verstopfen, insbesondere wenn das Wasser gefriert. Letzteres könnte auch zu einer Schädigung der Hohlfasermembranen führen, welche vorliegend sicher vermieden ist.
Ein solches Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl weiterer, insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen übliche Komponenten umfassen, welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Die für den erfindungsgemäßen Befeuchter beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 teilweise stark schematisiert Komponenten eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, wobei ein Befeuchter geschnitten gezeigt ist, welcher dem Befeuchten von Zuluft dient, die einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführt wird;
2 in einer vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts von 1 die Anordnung von zwei Dichtelementen an einem Deckel eines Gehäuses des Befeuchters; und
3 in einer vergrößerten Darstellung eines weiteren Ausschnitts von 1 die Anordnung von zwei weiteren Dichtelementen, welche im Bereich eines Bodenteils des Befeuchters angeordnet sind.
Von einem Brennstoffzellensystem 10 eines Fahrzeugs ist in 1 ein Befeuchter 12 gezeigt, welcher dem Befeuchten eines für die Brennstoffzellenreaktion vorzusehenden Oxidationsmittels dient. Bei diesem Oxidationsmittel kann es sich beispielsweise um Sauerstoff oder um Luft handeln.
Dieses zu befeuchtende Medium, etwa Zuluft, wird dem Befeuchter 12 über einen Einlass 14 zugeführt. Von dem Einlass 14 aus strömt die zu befeuchtende Zuluft durch Hohlfasermembranen 16, welche sich in eine axiale Richtung 18 des Befeuchters 12 erstrecken. Die axiale Richtung 18 ist in 1 durch einen Pfeil veranschaulicht, wobei die Hohlfasermembranen 16 entgegen der Richtung des Pfeils durchströmt werden. Beim Durchströmen der Hohlfasermembranen 16, welche sich von einem Bodenteil 20 bis zu einem Deckel 22 eines Gehäuses 24 des Befeuchters 12 erstrecken, nimmt die zu befeuchtende Zuluft Feuchtigkeit auf.
Diese Feuchtigkeit stammt aus einem Befeuchtungsmedium, als welches vorliegend das Abgas einer Kathode 26 eines Brennstoffzellenstapels 28 des Brennstoffzellensystems 10 genutzt wird. Der Kathode 26 wird des Weiteren die befeuchtete Zuluft, welche nach dem Durchströmen der Hohlfasermembranen 16 den Befeuchter 12 verlässt, über eine Leitung 30 zugeführt.
Demgegenüber wird das Abgas der Kathode 26, also das Befeuchtungsmedium, über eine Abgasleitung 32 in einen Einströmbereich 34 des Befeuchters 12 eingebracht, welcher zentral in einem vorliegend runden Bündel 36 angeordnet ist, welches die Hohlfasermembranen 16 bilden. Aus dem Einströmbereich 34, welcher endseitig mittels eines optionalen Verschlusselements 38 verschlossen sein kann, strömt das Kathodenabgas in radialer Richtung 40 durch das Bündel 36 der Hohlfasermembranen 16. Die radiale Richtung 40 ist in 1 durch einen weiteren Pfeil veranschaulicht. Beim Umströmen der die Hohlfasern nach außen begrenzenden Membranen der Hohlfasermembranen 16 findet der Übertritt von Wasser aus dem Kathodenabgas in die zu befeuchtende Zuluft statt. Das Kathodenabgas enthält nämlich das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser.
Entsprechend nimmt der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodenabgases auf dem Weg hin zu einem Ringraum 42 ab, welcher zwischen dem Bündel 36 der Hohlfasermembranen 16 und einer Wand 44 des Gehäuses 24 ausgebildet ist. Aus diesem Ringraum 42 wird das nunmehr weniger feuchte Kathodenabgas über einen Auslass 46 aus dem Befeuchter 12 abgeführt.
Es ist dafür zu sorgen, dass der Ringraum 42 von einem weiteren Raum 48 innerhalb des Gehäuses 24 des Befeuchters 12 fluidisch getrennt ist, in welchen das befeuchtete Medium, also die befeuchtete Zuluft gelangt. Aus diesem weiteren Raum 48 strömt die befeuchtete Zuluft über die Leitung 30 hin zur Kathode 26. Die Kathode 26 ist in an sich bekannter Weise von einer Anode 50 des Brennstoffzellenstapels über eine Membran 52 getrennt, deren Austrocknen durch das Befeuchten der Zuluft mittels des Befeuchters 12 verhindert wird.
Um die Dichtigkeit zwischen dem Ringraum 42 und dem Raum 48 sicherzustellen, kommt vorliegend eine Dichteinrichtung 54 zum Einsatz, welche zwei an dem Deckel 22 oder dergleichen Deckelelement gehaltene Dichtelemente 56, 58 umfasst (vergleiche 2). Ein erstes Dichtelement 56 liegt an einer Stirnseite 60 der Wand 44 des Gehäuses 24 an. Entsprechend weist der Deckel 22 einen Anlagebereich 62 auf, in welchem der Deckel 22 an der Stirnseite 60 der Wand 44 anliegt (vergleiche 2). Das erste Dichtelement 56 ist in einer Ausnehmung 64 aufgenommen, welche in dem Deckel 22 ausgebildet ist.
In analoger Weise ist auch das zweite Dichtelement 58 in einer Ausnehmung 66 in dem Deckel 22 angeordnet, welches in radialer Richtung 40 weiter innen liegend angeordnet ist als das erste Dichtelement 56. Das zweite Dichtelement 58 liegt jedoch nicht an der Wand 44 an, sondern an einem Absatz 68, welcher von einer Vergussmasse 70 gebildet ist, in welcher diejenigen Endbereiche der Hohlfasermembranen 16 fixiert sind, welche sich in der Nähe des Deckels 22 befinden.
Diese Vergussmasse 70, welche beispielsweise ein Epoxidharz ist und auch als Potting bezeichnet wird, schrumpft beim Aushärten. Entsprechend kann es zwischen einer Außenseite 72 des Absatzes 68 und einer Innenseite 74 der Wand 44 zur Ausbildung eines Spalts 76 kommen (vergleiche 2). Dies ist jedoch vorliegend unproblematisch, da dennoch die Dichteinrichtung 54 in Form der beiden Dichtelemente 56, 58 eine fluidische Verbindung zwischen dem Ringraum 42 und dem Raum 48 sicher unterbindet. Der Spalt 76 ist sogar in Bezug auf Toleranzen der Vergussmasse 70 von Vorteil, da das die Vergussmasse 70 umfassende Bündel 36 auch bei Abweichungen der Größe des von der Vergussmasse 70 eingenommenen Bereichs in radialer Richtung 40 stets einfach in das Gehäuse 24 eingebracht werden kann. Der Spalt 76 zwischen der Vergussmasse 70 und der Wand 44 des Gehäuses 24 ist also bevorzugt so groß gewählt, dass Toleranzen in die radiale Richtung 40 ohne Kollisionen ausgeglichen werden können.
Des Weiteren ersetzt das zweite Dichtelement 58, welches am Deckel 22 festgelegt ist, in Kombination mit dem ersten Dichtelement 56 die ansonsten übliche radiale Dichtung zwischen dem Material der Vergussmasse 70 und der Wand 44 des Gehäuses 24.
Toleranzen der Vergussmasse 70 in die axiale Richtung 18 werden durch das zweite Dichtelement 58 ausgeglichen. Da das zweite Dichtelement 58 lediglich mit dem Absatz 68 in Anlage ist, welcher in axialer Richtung 18 kürzer ist als der die Hohlfasermembranen 16 fixierende Bereich der Vergussmasse 70 zwischen dem Ringraum 42 und dem Einströmbereich 34, sind derartige Toleranzen zudem ausgesprochen gering.
Zwischen dem Deckel 22 und der Vergussmasse 70 ist ein weiteres, drittes Dichtelement 78 vorgesehen, welches zwischen einer Außenseite eines Einlassstutzens 79 und der Vergussmasse 70 angeordnet ist. Der Einlassstutzen 79, welcher durch den Deckel 22 gebildet ist, mündet in den Einströmbereich 34 im Zentrum des Bündels 36. Dieses dritte Dichtelement 78 sorgt insbesondere für eine korrekte Ausrichtung des Bündels 36 in die radiale Richtung 40. So wird dafür gesorgt, dass das Bündel 36 oder eine solche, die Vergussmasse 70 und die Hohlfasermembranen 16 umfassende Kartusche mit einem möglichst gleichmäßigen Abstand zur Wand 44 in dem Gehäuse 24 angeordnet werden kann.
Im Bereich des Bodenteils 20 sind die Hohlfasermembranen 16 durch einen weiteren, aus Vergussmasse 80 gebildeten Körper in ihren Endbereichen fixiert. An diesen aus der Vergussmasse 80 gebildeten Körper kann auch das den Einströmbereich 34 ggf. endseitige verschließende Verschlusselement 38 angrenzen. Um diesen Körper gegenüber der Wand 44 und dem Bodenteil 20 abzudichten, sind weitere Dichtelemente vorgesehen.
Wie insbesondere aus 3 hervorgeht, ist ein weiteres, viertes Dichtelement 82 in radialer Richtung zwischen der Vergussmasse 80 und der Wand 44 angeordnet. Dieses Dichtelement 82 kann insbesondere als O-Ring-Dichtung ausgebildet sein, welche im Nachgang zum Vergießen zwischen das Gehäuse 24 und die Vergussmasse 80 eingebracht werden kann. Dies wird durch die nachträgliche Montage der Kartusche beziehungsweise des Bündels 36 in das Gehäuse 24 ermöglicht.
Um das Schrumpfen der Vergussmasse 80 zu berücksichtigen, kann eine Gussform, in welcher der durch die Vergussmasse 80 bereitgestellte Körper ausgebildet wird, entsprechend größer dimensioniert werden. Die Gussform, welche die Außenkontur der Vergussmasse 80 im Bereich des Bodenteils 20 vorgibt, kann also so groß ausgelegt werden, dass selbst nach dem Schrumpfen der Vergussmasse 80 das vierte Dichtelement 82 sicher an der Wand 44 anliegt. In einem Aufnahmeraum 84, welcher zwischen einem Absatz 86 der Vergussmasse 80 und dem Bodenteil 20 ausgebildet ist, ist das vierte Dichtelement 82 bevorzugt mit Spiel in axialer Richtung 18 angeordnet. So können Längentoleranzen des Bündels 36 und insbesondere der Vergussmassen 70, 80 in der axialen Richtung 18 besonders gut ausgeglichen werden.
In dem Bodenteil 20, welches an einer der ersten Stirnseite 60 gegenüberliegenden Stirnseite 88 der Wand 44 anliegt, ist vorliegend eine Ausnehmung 90 vorgesehen, in welcher ein fünftes Dichtelement 92 angeordnet ist. Dieses fünfte Dichtelement 92, welches ebenso wie das erste Dichtelement 56 und das zweite Dichtelement 58 als axiale Dichtung ausgebildet ist, ermöglicht es, Toleranzen des Gehäuses 24 und des Bündels 36 in der axialen Richtung 18 zu berücksichtigen.
Durch das bei dem Befeuchter 12 verwirklichte Dichtkonzept kann insbesondere auf eine Dichtung zwischen der Vergussmasse 70 und dem Gehäuse 24 in radialer Richtung verzichtet werden. Durch die Kombination der vorliegend beschriebenen radialen und axialen Dichtungen oder Dichtelemente 56, 58, 78, 82, 92 können jedoch besonders gut Montagetoleranzen eingehalten werden. Zudem braucht auch der Spalt 76 zwischen der Vergussmasse 70 und dem Gehäuse 24 nicht mehr abgedichtet zu werden. Die Dichtfunktion einer an dieser Stelle ansonsten vorzusehenden, besonders kritischen Dichtung wird nämlich durch die axiale Dichtung in Form des an den Absatz 68 angrenzenden zweiten Dichtelements 58 im Zusammenwirken mit dem ersten Dichtelement 56 abgedeckt. So ist eine Montage des Befeuchters 12 mit besonders geringem Aufwand ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Befeuchter
14: Einlass
16: Hohlfasermembranen
18: axiale Richtung
20: Bodenteil
22: Deckel
24: Gehäuse
26: Kathode
28: Brennstoffzellenstapel
30: Leitung
32: Abgasleitung
34: Einströmbereich
36: Bündel
38: Verschlusselement
40: radiale Richtung
42: Ringraum
44: Wand
46: Auslass
48: Raum
50: Anode
52: Membran
54: Dichteinrichtung
56: Dichtelement
58: Dichtelement
60: Stirnseite
62: Anlagebereich
64: Ausnehmung
66: Ausnehmung
68: Absatz
70: Vergussmasse
72: Außenseite
74: Innenseite
76: Spalt
78: Dichtelement
79: Einlassstutzen
80: Vergussmasse
82: Dichtelement
84: Aufnahmeraum
86: Absatz
88: Stirnseite
90: Ausnehmung
92: Dichtelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0291874 A1 [0003]

Claims

Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere eines Fahrzeugs, welcher zum Befeuchten eines in einen Brennstoffzellenstapel (28) des Brennstoffzellensystems (10) einbringbaren Mediums ausgebildet ist, mit einem Gehäuse (24), in welchem eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (16) angeordnet ist, deren jeweilige Endbereiche in einer Vergussmasse (70, 80) fixiert sind, mit einem Deckelelement (22) zum Verschließen des Gehäuses (24), und mit einer Dichteinrichtung (54) zum Abdichten eines Raums (42) für ein Befeuchtungsmedium gegenüber einem Raum (48) für das befeuchtete Medium, wobei die Dichteinrichtung (54) zumindest bereichsweise zwischen einer Wand (44) des Gehäuses (24) und dem Deckelelement (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (54) an dem Deckelelement (22) gehalten ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (22) einen Anlagebereich (62) aufweist, in welchem das Deckelelement (22) an einer Stirnseite (60) der Wand (44) des Gehäuses (24) anliegt, wobei die, insbesondere in einer in dem Deckelelement (22) ausgebildeten Ausnehmung (64, 66) aufgenommene, Dichteinrichtung (54) in dem Anlagebereich (62) angeordnet ist.
Befeuchter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinrichtung (54) ein erstes Dichtelement (56) umfasst, welches zwischen einer Stirnseite (60) der Wand (44) des Gehäuses (24) und dem Deckelelement (22) angeordnet ist, und ein zweites Dichtelement (58), welches in radialer Richtung (40) neben dem ersten Dichtelement (56) und zwischen der Vergussmasse (70) und dem Deckelelement (22) angeordnet ist.
Befeuchter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite, insbesondere in einer in dem Deckelelement (22) ausgebildeten Ausnehmung (66) aufgenommene, Dichtelement (58) in axialer Richtung (18) an einer Stirnseite eines Absatzes (68) anliegt, welcher durch die Vergussmasse (70) gebildet ist, wobei eine Außenseite (72) des Absatzes (68) einer Innenseite (74) der Wand (44) des Gehäuses (24) zugewandt ist.
Befeuchter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenseite (72) des Absatzes (68) und der Innenseite (74) der Wand (44) ein Spalt (76) ausgebildet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen (16) ein, insbesondere im Wesentlichen rundes, Bündel (36) bilden, welches einen Einströmbereich (34) für das Befeuchtungsmedium umgibt, wobei durch das Deckelelement (22) ein Einlassstutzen (79) gebildet ist, welcher in den Einströmbereich (34) mündet, und wobei ein weiteres Dichtelement (78) in radialer Richtung (40) zwischen einer Außenseite des Einlassstutzens (79) und der Vergussmasse (70) angeordnet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Deckelelement (22) gegenüber liegenden Seite des Gehäuses (24) zwischen der Wand (44) des Gehäuses (24) und der Vergussmasse (80) ein weiteres, insbesondere in axialer Richtung (18) mit Spiel in einem Aufnahmeraum (84) angeordnetes, Dichtelement (82) angeordnet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24) ein Bodenteil (20) umfasst, wobei zwischen einer an dem Bodenteil (20) anliegenden Stirnseite (88) der Wand (44) des Gehäuses (24) und dem Bodenteil (20) ein weiteres, insbesondere in einer Ausnehmung (90) in dem Bodenteil (20) aufgenommenes, Dichtelement (92) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Befeuchter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Abgas einer Kathode (26) eines Brennstoffzellenstapels (28) des Brennstoffzellensystems (10) in einen Einströmbereich (34) des Befeuchters (12) einbringbar und zum Befeuchten eines der Kathode (26) des Brennstoffzellenstapels (28) zuführbaren Oxidationsmittels als dem zu befeuchtenden Medium nutzbar ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9.